JP2004063972A - 半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】今後光通信においては波長多重伝送が主流になると予想されているが、主要部品である波長フィルタは高価で低コスト化の障害になっている。他方、２次元フォトニクス結晶を用いれば導波路や波長フィルタ等を容易に作製できるが、光源となる一体形成可能なレーザの実用化は未だ遠い。
【解決手段】１０１−ｎ型ＧａＡｓ基板、１０２−ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓブラッグ反射鏡、１０３−ｎ型ＧａＡｓを加工した２次元フォトニクス結晶、１０４−ノンドープＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸活性層、１０５−ＡｌＯｘの電流狭窄層、１０６−ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓブラッグ反射鏡、１０７−ｐ側電極、１０８−ｎ側電極、１０９−アパーチャー、１１０−レーザの共振器により、２次元フォトニクス結晶内に作製された導波路１１１と光結合し一体形成可能な半導体レーザを構成する。
【効果】本発明によれば、波長多重伝送用光モジュールへ適用可能な光集積回路を安価に作製できるので、光モジュールの高性能化、低コスト化が図れる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザとその製造方法に関し、特に、波長多重伝送用光モジュールおよび波長多重光伝送システムを安価に提供する半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のインターネット人口の爆発的増大により情報伝送の急速な高速化および大容量化が求められており、今後も光通信が重要な役割を果たすと考えられている。
しかし、光通信において各々の素子の高速化には限界が見え始めており、今後は異なる波長の光を幾つも使って情報を伝送する波長多重伝送が主流になると予想されている。波長多重伝送用光モジュールにおいても、性能面での要求に加えて低コストで提供することが必須である。
しかし、主要部品である波長フィルタは高価で、光源の半導体レーザとほぼ同価格である。従って、低コスト化の障害になっている。
【０００３】
他方、媒質中での光の波長と同程度のサブミクロン周期の屈折率周期構造である所謂フォトニクス結晶を用いれば、導波路や波長フィルタ等を容易に、従って安価に作製できる。因って、波長多重伝送用光モジュールへの適用が期待されている。
特に、２次元フォトニクス結晶は、リソグラフィー技術とドライエッチング技術の適用で、導波路や波長フィルタを一度に簡単に作製できる。図５に、２次元フォトニクス結晶を用いた波長多重伝送用アド／ドロップ超小型集積光回路の概念図を示す。この集積光回路は、微小共振器波長フィルタ５０１、微小共振器光変調器５０２、極微小無閾値レーザ５０３、直角曲げ導波路５０４、結合欠陥分散補償器５０５、および微小方向性結合器５０６から構成され、異なる複数の波長λ_１・・・λ_ｎ５１０が一端から入力され、次段の受光素子５２０へ出力される。導波路、波長フィルタ、フォトダイオードなどのパッシブデバイスに関しては、研究開発が進み設計及び作製技術がほぼ確立してきている。
しかし、光源となる電流注入型半導体レーザで２次元フォトニクス結晶内に作製される他の素子と一体形成できるものは実用化から未だ遠い。特に、２次元フォトニクス結晶の面内方向に光を出射し導波路と光結合可能なものに関しては殆ど報告がない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
アクティブデバイスであるレーザを作製する場合、光を発生させる活性領域には大きな利得が得られる直接遷移型半導体を用いる必要がある。２次元フォトニクス結晶では上下の光閉じ込めをスラブ導波路で行なうので、フォトニクス結晶の上下には通常低屈折率の空気もしくはＳｉＯ_２が配置される。空気およびＳｉＯ_２は絶縁性なので、活性領域への電流注入に難点がある。また、スラブ導波路構造をレーザへ適応する場合、上下方向の光の閉じ込めが不充分で閾電流増加等の特性劣化が生じ易い。
【０００５】
本発明の第１の目的は、２次元フォトニクス結晶中に作製された導波路へ結合する一体形成可能な半導体レーザを提供することにある。さらに、第２の目的は、上記のレーザを用いた波長多重伝送用光モジュール、及び、波長多重光伝送システムを安価に提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的は、２次元フォトニクス結晶の一部に周期構造の欠損領域を作製してレーザの共振器とし、その上方に半導体活性層および屈折率が異なる物質を交互に積層した所謂ブラッグ反射鏡を配置し、共振器の下方にはブラッグ反射鏡を配置することで達成できる。下部ブラッグ反射鏡と２次元フォトニクス結晶は同一基板結晶上にエピタキシャル成長された後に、リソグラフィー技術とドライエッチング技術により２次元フォトニクス結晶が形成される。
【０００７】
一方、上部ブラッグ反射鏡と活性層は、別基板結晶上にエピタキシャル成長された後に、下部部品に直接接着され、レーザを形成する。また、上部ブラッグ反射鏡と活性層の間に電流狭窄層を挿入することで、電流を効率良く活性領域に注入できる。
【０００８】
また、２次元フォトニクス結晶を用いた集積光回路内に上記レーザを複数作製し光結合する導波路を互いに合流させることで、波長多重伝送用光モジュール、及び、波長多重光伝送システムを安価に提供でき上記第２の目的を達成できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
本実施例では、導波路と光結合する発光波長が１．３μｍの半導体レーザを作製した。
図１上部に構造断面図を示す。１０１はｎ型ＧａＡｓ基板（ｎ＝１ｘ１０１８　ｃｍ^−３、ｄ＝３００μｍ）、１０２はｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓブラッグ反射鏡（ｎ＝１ｘ１０１８　ｃｍ^−３）、１０３はｎ型ＧａＡｓを加工した２次元フォトニクス結晶（ｎ＝１ｘ１０１８　ｃｍ^−３、ｄ＝０．５μｍ　）、１０４はノンドープＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸活性層、１０５はＡｌＡｓを選択酸化させたＡｌＯ_ｘの電流狭窄層（ｄ＝５０　ｎｍ）、１０６はｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓブラッグ反射鏡（ｐ＝３ｘ１０１８　ｃｍ^−３、最下層は電流狭窄層１０５の未酸化部分のＡｌＡｓ）、１０７はｐ側電極、１０８はｎ側電極である。また、１０９は、未酸化のＡｌＡｓで電流が流れるアパーチャーとなる。
【００１０】
ブラッグ反射鏡１０２及び１０６は、１／４波長厚の高屈折率のＧａＡｓ層と１／４波長厚の低屈折率のＡｌ_０．９　Ｇａ_０．１　Ａｓ層を交互に積層した。反射率を９９．５％以上にする為に反射鏡層の積層数を３０対とした。活性層１０４には、７ｎｍ厚のＧａＩｎＮＡｓ井戸層を約１００ｎｍ厚のＧａＡｓ障壁層で挟んだ実効的に０．９５ｅＶ（波長：１．３μｍ）のバンドギャップを持つ歪量子井戸を用いた。
【００１１】
半導体層１０２及び１０３は、分子線エピタキシー装置を用いて１×１０^−７Ｔｏｒｒの高真空中で、ＧａＡｓ基板１０１上に連続して結晶成長させた。ＩＩＩ族の原料には金属のアルミニュム及びガリュウムを、Ｖ族の原料には金属砒素を用いた。ドーパントの原料には、Ｓｉを用いた。ウエハーを取り出し、ホトリソグラフ工程及びドライエッチング工程により図１下部に示すように０．４６μｍの周期で直径０．２５μｍの穴をｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓブラッグ反射鏡１０２の上面まで空け、六方格子状の２次元フォトニクス結晶を作製した。また、同図に示すように、２次元フォトニクス結晶の一部に周期欠損領域を作製してレーザの共振器１１０、および導波路１１１を作製した。
【００１２】
半導体層１０４−１０６は、第２のＧａＡｓ基板上にガスソース分子線エピタキシー装置を用いて１×１０^−５Ｔｏｒｒの高真空中で連続して結晶成長させた。ＩＩＩ族の原料には金属のアルミニュム、ガリュウム及びインジウムを、　Ｖ族の原料にはアルシン及びプラズマで励起した窒素を用いた。ドーパントの原料には、ＣＢｒ_４を用いた。結晶成長後に第２基板の表面の一部をエッチングして１００μｍ角のメサを形成し、４００℃の水蒸気中でＡｌＡｓ層を選択酸化させて電流狭窄層１０５を作製した。赤外顕微鏡を用いてアパーチャー１０９と共振器１１０の位置を合わせた後に、４００℃の窒素中で上下の部品を直接接着した。その後、第２の基板を取り除き、図１上部に示す構造を得た。
最後に、ｐ側電極１０７およびｎ側電極１０８を蒸着し素子を完成させた。
【００１３】
作製したレーザでは、キャリアが電流狭窄層１０５によりアパーチャー１０９直下の活性領域１１２に効率良く注入され、光及び光学利得が発生する。共振器１１０は、上下方向はブラッグ反射鏡１０２及び１０６で、面内方向は２次元フォトニクス結晶１０３（境界を１点鎖線で示す。）で、３次元的に取り囲まれている。共振器１１０の厚さ、つまり、ブラッグ反射鏡１０２及び１０６の間隔は、厚さ方向でレーザ発振しない様に１／２波長の整数倍から外した。活性領域１１２で発生した光は共振器１１０内を面内方向に往復しレーザ発振する。共振器１１０の光損失は非常に低いので、所謂フォトンリサイクリング効果により閾電流が非常に低くなる。
尚、レーザの発振波長は、共振器の面内方向の大きさにより制御できる。発生したレーザ光は唯一の出口である導波路１１１から効率良く取り出すことができる。導波路の上部は空気、下部は平均屈折率の低いブラッグ反射鏡が接しておりスラブ導波路として機能する。本レーザの閾電流は１００μＡであり、１０　ｍＡの動作電流において導波路端から１　ｍＷの出力が得られた。発振波長は、１３１０　ｎｍであった。
【００１４】
尚、本発明では、所望の特性を満たせば、材料が本実施例のものに限定されるものではない。例えば、基板結晶にＩｎＰ、ブラッグ反射鏡にＡｌＰＳｂ／ＩｎＰ、活性層にＩｎＧａＡｓＰを用いても良い。また、電流注入の為に素子構造を工夫すればブラッグ反射鏡はＡｌＯ_ｘ／ＧａＡｓ等の絶縁物を使用することも可能である。
［実施例２］
本実施例では、波長多重光伝送システムを作製した。最初に、光源のレーザについて説明する。断面構造および作製方法は第１実施例とほぼ同様である。
図２上部に構造断面図を示す。２０１はｎ型ＧａＡｓ基板（ｎ＝１ｘ１０１８　ｃｍ^−３、ｄ＝３００μｍ）、２０２はｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓブラッグ反射鏡（ｎ＝１ｘ１０１８　ｃｍ^−３）、２０３はｎ型ＧａＡｓを加工した２次元フォトニクス結晶（ｎ＝１ｘ１０１８　ｃｍ^−３、ｄ＝０．１μｍ　）、２０４はノンドープＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸活性層、２０５はＡｌＡｓを選択酸化させたＡｌＯ_ｘの電流狭窄層（ｄ＝５０　ｎｍ）、２０６はｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓブラッグ反射鏡（ｐ＝３ｘ１０１８　ｃｍ^−３）、２０７はｐ側電極、２０８はｎ側電極である。また、２０９は、電流が流れるアパーチャー（幅：１μｍ、長さ：５０μｍ）である。
【００１５】
図２下部にレーザ素子のフォトニクス結晶部分の俯瞰図を示す。第１実施例と同様に２次元フォトニクス結晶の一部に周期欠損領域を作製してレーザの共振器２１０、および導波路２１１を作製した。
ただし、共振器２１０は細長である。同図で２本の点線に挟まれた活性領域２１２の直下の部分には、別な穴２１３が空けられており１次元の周期構造が形成されている。（この穴は１次元の周期を与えるもので、必ずしも矩形である必要はない。）本レーザは、１次元の周期構造により分布帰還型レーザとして動作する。本レーザでは、発振波長は媒質の屈折率考慮した１次元周期構の周期の２倍になるので正確に制御できる。また、レーザ光の出射方向も制御しやすいので導波路との光結合にも有利である。本レーザでは、レーザ光は同図右側の導波路２１１より効率良く取り出せる。尚、反射される光の位相は、フォトニクス結晶部分と分布帰還型活性領域部分との距離で調節できる。
【００１６】
図３は、集積光回路の俯瞰図を示す。本光回路には、２次元フォトニクス結晶３０１の中に上記レーザ３０２が４個集積され、各々が導波路３０３に光結合され、１つの導波路に合さる。レーザの発振波長は、それぞれ、１２８０　ｎｍ，　１２９０　ｎｍ，　１３００　ｎｍ，１３１０　ｎｍである。従って、本光回路は、波長多重光伝送システム用光モジュールに使用できる。
【００１７】
図４には、波長多重光伝送用光モジュールの構成図を示す。ここで、４０１はレーザ素子を集積した上記集積光回路、４０２はレーザ駆動回路、４０３は受光素子を集積した集積光回路、４０４は受光素子駆動回路、４０５は光モジュールパッケージ全体、４０６は光モジュールを動作させる外部回路、４０７は光ファイバーである。本発明による光モジュールは小型で部品点数が少なくできた。また、素子作製時の歩留まりも高く、大幅な低コスト化を達成できた。さらに、本光モジュールは、消費電力が低く発熱も少ないので、従来の光モジュールと比較してより長時間に渡って安定な特性を提供することができた。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、２次元フォトニクス結晶の面内方向に光を出射する電流注入型半導体レーザを作製できるので、２次元フォトニクス結晶中に作製された導波路と一体形成可能になる。このレーザを２次元フォトニクス結晶を用いた集積光回路内に複数作製し、光結合する導波路を互いに合流させることで、波長多重伝送用光モジュール、及び、波長多重光伝送システムを安価に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１上部は、実施例１のレーザ素子の断面図。図１下部は、フォトニクス結晶部分の俯瞰図。
【図２】実施例２のレーザ素子におけるフォトニクス結晶部分の俯瞰図。
【図３】実施例２の集積光回路の俯瞰図。
【図４】実施例２の波長多重光伝送用光モジュールの構成図。
【図５】２次元フォトニクス結晶を用いた波長多重伝送用アド／ドロップ超小型集積光回路の概念図。
【符号の説明】
１０１−ｎ型ＧａＡｓ基板、１０２−ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓブラッグ反射鏡、１０３−ｎ型ＧａＡｓを加工した２次元フォトニクス結晶、１０４−ノンドープＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸活性層、１０５−ＡｌＯｘの電流狭窄層、１０６−ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓブラッグ反射鏡、１０７−ｐ側電極、１０８−ｎ側電極、１０９−アパーチャー、１１０−レーザの共振器、１１１−導波路、５０１−微小共振器波長フィルタ、５０２−微小共振器光変調器、５０３−極微小無閾値レーザ、５０４−直角曲げ導波路、５０５−結合欠陥分散補償器、５０６−微小方向性結合器、５１０−入力波長λ_１・・・λ_ｎ、５２０−受光素子への出力。

Claims (15)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の一主面に形成された第１のブラッグ反射鏡と、
   前記第１のブラッグ反射鏡上に形成した半導体薄膜と、
   前記半導体薄膜上の所定領域に設けられ所望の発光波長を有する光を発生する活性層と、
   前記活性層上に設けられ、一部に開口部を有し該開口部を介して前記活性層に供給される電流の流れる領域を規定する電流狭窄層と、
   前記電流狭窄層上に形成された第２のブラッグ反射鏡と、
   前記半導体薄膜内に、所定の口径を有し少なくとも前記半導体薄膜を貫通する溝を形成し、該溝を所定の周期で配列することにより形成された屈折率周期構造を有するフォトニクス結晶領域とを備え、
   前記フォトニクス結晶領域の一部に、前記溝を形成しない領域を設けることにより、該領域の周囲が前記フォトニクス結晶領域に囲まれ、その内部が前記半導体薄膜から構成された第１および第２の周期欠損領域を形成し、
   前記第１の周期欠損領域は、前記活性層から放出された光を共振させるための共振器であり、
   前記第２の周期欠損領域は、前記第１の周期欠損領域と光学的に接続され、前記第１の周期欠損領域から放出された光を所定の方向へ伝播させる導波路であることを特徴とする半導体レーザ。
2. 前記第１の周期欠損領域は、前記電流狭窄層の開口部の延長上領域に設けられ、前記開口部方向から見た断面が六角格子状の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
3. 前記第２の周期欠損領域は、その一主面に配置された前記ブラッグ反射鏡と、前記一主面に対向する他主面に配置された空気層とに挟まれていることを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
4. 前記第１および第２のブラッグ反射鏡は、前記発光波長の１／４の厚さを有し屈折率の異なる薄膜を交互に堆積して形成された積層膜からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
5. 前記発光波長が、１．３μｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
6. 前記溝の所定の口径が０．２５μｍであり、前記所定の周期が０．４６μｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
7. 前記第１および第２のブラッグ反射鏡は、絶縁膜からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
8. 前記電流狭窄層は、Ａｌを含む半導体を選択酸化した層からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
9. 半導体基板と、
   前記半導体基板の一主面に形成された第１のブラッグ反射鏡と、
   前記第１のブラッグ反射鏡上に形成した半導体薄膜と、
   前記半導体薄膜上の所定領域に設けられた活性層と、
   前記活性層上に形成された所定の大きさの開口部を有する電流狭窄層と、
   前記電流狭窄層上に形成された第２のブラッグ反射鏡と、
   前記半導体薄膜内に、所定の口径を有し少なくとも前記半導体薄膜を貫通する溝を形成し、該溝を所定の周期で配列することにより形成された屈折率周期構造を有するフォトニクス結晶領域とを備え、
   前記フォトニクス結晶領域の一部に、前記溝を形成しない領域を設けた第１および第２の周期欠損領域を形成し、
   前記第１の周期欠損領域を、前記活性層から放出された光を共振させるための共振器とし、
   前記第１の周期欠損領域と光学的に接続された前記第２の周期欠損領域を、前記第１の周期欠損領域から放出された光を所定の方向へ伝播させる導波路とし、
   前記第１の周期欠損領域には、前記電流狭窄層の開口部の延長上にある領域内に、その断面が一定の形状を有する溝が所定の周期で前記導波路の方向に複数配列されていることを特徴とする半導体レーザ。
10. 前記溝の一定の形状は矩形であり、前記所定の周期が１次元周期であることを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザ。
11. 第１の半導体基板および第２の半導体基板を準備する工程と、
    前記第１の半導体基板の一主面に屈折率の異なる２種類の薄膜を交互に積層して第１のブラッグ反射鏡を形成する工程と、
    前記ブラッグ反射鏡上に半導体薄膜を形成する工程と、
    前記第２の半導体基板上に活性層を形成する工程と、
    前記活性層上に電流狭窄層を設ける工程と、
    前記半導体薄膜内に所定の口径を有する溝を少なくとも前記半導体薄膜とブラッグ反射鏡との界面まで穿孔し、かつ前記溝を所定の周期で配置することによりフォトニクス結晶を形成する工程と、
    前記フォトニクス結晶内の前記電流狭窄層の開口部を延長した領域に第１の周期欠損領域を設ける工程と、
    前記第１の半導体基板上に形成された第１の周期欠損領域の一部と光学的に接続された第２の周期欠損領域を設ける工程と、
    前記第１の半導体基板上に形成された前記半導体薄膜の面と、前記第２の半導体基板上に形成された前記活性層の面とを貼り合わせ、その後前記第２の半導体基板を除去する工程とを具備することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
12. 前記第１および第２のブラッグ反射鏡を形成する２種類の薄膜の膜厚は、前記発光波長の１／４であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザの製造方法。
13. 前記第１および第２のブラッグ反射鏡を形成する２種類の薄膜の積層数は、３０対であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザの製造方法。
14. 前記電流狭窄層は、前記第２の基板の一部をエッチングしメサを形成し、その後に４００℃の水蒸気でＡｌＡｓを層を選択酸化することにより形成することを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザ。
15. 前記第１の半導体基板と第２の半導体基板の貼り合わせは、４００℃の窒素雰囲気中で行なうことを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザの製造方法。

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